盧智強(qiáng),伍 建,肖龍鴿,黃 成,文茂林

( 1.中建隧道建設(shè)有限公司，重慶 401320； 2．重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛增長(zhǎng)，城鎮(zhèn)化進(jìn)程日益加快，城市可用土地緊張，軌道交通以其占用地面資源小、運(yùn)能大、運(yùn)行時(shí)間穩(wěn)定等獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，在解決城市人流車流與日俱增造成地面交通擁堵制約城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的問(wèn)題上，提供了一個(gè)良好的解決方案；然而地鐵線路的規(guī)劃和設(shè)置一般位于城市化高度發(fā)展地區(qū)、城市主干道沿線、地面建筑密集區(qū)域，因此越來(lái)越多的地鐵線路需要近距離穿越(下穿、側(cè)穿)各種建筑物及其地下結(jié)構(gòu)，在地鐵隧道沿線存在既有樁基的情況相對(duì)普遍，其中主要包括橋梁樁基、立交樁基、樓宇及其他建筑物樁基。地鐵隧道施工將不可避免地造成隧道周圍地層擾動(dòng)，土體損失，地層原始地應(yīng)力重新分布，地層應(yīng)力及隧道周圍土體變形將傳遞到鄰近既有樁基，引起樁周土體變化；同時(shí)樁基的存在也將影響隧道周圍地層在隧道施工下的運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力改變。研究城市隧道沿線鄰近既有樁基的情況下，隧道開挖導(dǎo)致地層變形規(guī)律對(duì)降低地鐵及其他隧道工程施工對(duì)既有建筑(結(jié)構(gòu))的潛在影響有著巨大的意義。

Loganathan[1]等人進(jìn)行了三次離心試驗(yàn)，以研究不排水條件下粘土中隧道開挖對(duì)不同相對(duì)豎向位置樁基(單樁、群樁)的影響，包括隧道施工引起的地層變形，樁基的側(cè)向位移及附加彎矩等；Ong[2]等人在新加坡國(guó)立大學(xué)進(jìn)行了一系列離心模型試驗(yàn)，以研究粘土中隧道施工對(duì)鄰近單樁基礎(chǔ)的影響情況，以及引起的地表不同時(shí)期的變形，認(rèn)為Peck公式短期內(nèi)適用于地表沉降，而長(zhǎng)期地面變形則不符合。隧道施工將引起鄰近樁基較大的負(fù)摩阻力，需要評(píng)估樁基承載力；Arshall[3-4]等人也通過(guò)離心模型試驗(yàn)研究了隧道施工期間樁周和隧道周圍土體的位移情況，隧道-土體-樁基相互作用影響著隧道周土體的變形規(guī)律和樁身的變形、彎矩，試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)圓柱形空腔收縮理論在研究隧道施工引起端承樁破壞方面的適用性；孫慶[5]等人通過(guò)離心模型試驗(yàn)研究粘土中隧道施工與鄰近不同距離樁基的影響，分析土體的瞬時(shí)沉降和長(zhǎng)期沉降以及樁基樁身軸力、彎矩及側(cè)向變形的瞬時(shí)、長(zhǎng)期影響；Morton[6]等人通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了軟弱土地層中隧道開挖對(duì)鄰近樁基沉降和承載力的影響，得出有關(guān)土壤膨脹破壞和潛在樁基破壞區(qū)(取決于隧道體積損失情況)的結(jié)論；Lee[7]等人利用近距離照相量測(cè)技術(shù)開展室內(nèi)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究樁基-土體-隧道相互作用，提出隧道施工影響區(qū)域的影響因素有樁端位置、地層損失率、地層土體強(qiáng)度、樁頂荷載、樁身尺寸和隧道直徑等；吳翔天[8-9]設(shè)計(jì)了室內(nèi)模型試驗(yàn)用以模擬隧道開挖對(duì)豎向受荷樁(單樁、群樁)的相互作用，通過(guò)理論分析求解了土體位移、樁基豎向位移解析解，通過(guò)數(shù)值模擬研究隧道開挖施工引起的土體位移場(chǎng)分布；蘇潔[10]在提出隧道-土體-樁基-上部結(jié)構(gòu)四者相互作用關(guān)系的基礎(chǔ)上，給出了樁基承載力損失理論。

上述專家學(xué)者就既有樁基條件下隧道施工引起的地層變形做了大量研究工作，取得了相應(yīng)的研究成果。以往的模型試驗(yàn)大多是采用預(yù)埋監(jiān)測(cè)儀器的方法來(lái)對(duì)隧道開挖過(guò)程中地層的變形沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這在試驗(yàn)過(guò)程中不可避免地對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定的干擾。本文通過(guò)室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)?zāi)M既有樁基條件，研究城市暗挖隧道分步施工條件下地層變形特性，將PIV技術(shù)、激光散斑技術(shù)、圖像互相關(guān)處理技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)模型試驗(yàn)的全場(chǎng)無(wú)接觸式測(cè)量。研究隧道開挖過(guò)程中，隧道與鄰近既有樁基周圍土體內(nèi)部的移動(dòng)規(guī)律。

1 試驗(yàn)原理和設(shè)備

隧道與鄰近既有樁基的相互作用是通過(guò)隧道及樁間土的傳遞進(jìn)行的，為了研究具體作用方式及規(guī)律，需要觀測(cè)隧道與樁間土的內(nèi)部變形，透明土試驗(yàn)是目前研究?jī)?nèi)部變形比較成熟的常用試驗(yàn)方案。為了方便獲取內(nèi)部不同位置的變形，本試驗(yàn)裝置的各個(gè)部分盡量采用高透明度的PPMA(亞克力)制品。整個(gè)物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)主要由以下3部分組成，分別是模擬隧道開挖裝置、模型箱和變形(位移)測(cè)量系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)中隧道開挖裝置采用兩個(gè)不同直徑的圓形套筒相互套接來(lái)模擬隧道開挖過(guò)程中隧道的徑向收縮，其中外管PVC外徑40 mm，內(nèi)徑36 mm，內(nèi)管外徑35 mm，內(nèi)徑31 mm，PVC管可阻隔激光的穿透，而亞克力管材透明度極好。兩管連接部位直徑平緩過(guò)渡，防止刮破密封用塑料薄膜，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)抽取外側(cè)套筒來(lái)模擬隧道的開挖，由隧道開挖引起的徑向收縮為5 mm。

模型尺寸與原型尺寸的幾何相似比為1∶150。模型箱內(nèi)部尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=280 mm×160 mm×220 mm，5塊面板均采用透明度極高的亞克力(PPMA)板，亞克力板厚度為7 mm，并在前后面板預(yù)留直徑為40 mm的圓形孔洞用以模擬隧道開挖，預(yù)留孔洞用低密度聚乙烯(LDPE)筒料密封。采用尺寸為外徑15 mm，長(zhǎng)度200 mm，樁端為平面狀的黑色不透明的亞克力棒用于模擬樁基。

變形測(cè)量系統(tǒng)主要分為硬件部分和軟件部分。硬件部分主要包括位置控制系統(tǒng)、片光源激光器、高幀率CCD相機(jī)、圖像采集設(shè)備和計(jì)算機(jī)等；軟件部分主要為圖像分析處理軟件。

選用江蘇省新沂市萬(wàn)和礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的粒徑范圍為0.5～1.0 mm的熔融石英砂作為試驗(yàn)中透明土配置材料，將正十二烷與15#白油按體積比約為1∶8混合，并用玻璃棒不斷攪拌，直到溶液充分混合均勻后，用阿貝折射儀測(cè)定混合液折射率，根據(jù)混合液折射率高低微調(diào)兩種液體比例，直至折射率達(dá)到1.458 5，即與熔融石英砂顆粒的折射率相等。將熔融石英砂緩慢撒入混合液中，注意控制速率和撒入高度使氣泡盡可能少，少許氣泡可用玻璃棒慢慢挑出，保持液體水平面略高于透明土顆粒表面；可根據(jù)氣泡多少及實(shí)際情況將混合透明土材料放置于真空箱中，抽真空，以去除透明土中的氣泡，直到透明土試樣透明為止。封上保鮮膜使土顆粒充分固結(jié)以待后續(xù)試驗(yàn)使用。

2 試驗(yàn)圖像處理及結(jié)果分析

根據(jù)研究目的，設(shè)計(jì)了如表1所示的實(shí)驗(yàn)方案。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

當(dāng)試驗(yàn)數(shù)字圖像采集完畢后，采用德國(guó)DLR(德國(guó)航空航天中心)開發(fā)的PIV后處理軟件PIVview2C Demo分析透明土模型目標(biāo)觀測(cè)面的變形位移場(chǎng)。它是目前處理速度最快、精度最高的PIV后處理軟件之一，包含了PIV(粒子圖像測(cè)速技術(shù))和PTV(粒子圖像跟蹤技術(shù))兩種圖像處理技術(shù)。

2.1 隧道開挖引起周圍地層三維變形分析

大量的理論研究與實(shí)踐證明，不論采用哪種工法的隧道施工都將不可避免地對(duì)隧道周邊地層產(chǎn)生擾動(dòng)，研究隧道施工對(duì)周邊既有樁基的相互作用關(guān)系有重要意義。當(dāng)隧道在鄰近既有樁基條件下開挖施工時(shí)，隧道、周邊土體、既有樁基以及既有樁基的上部結(jié)構(gòu)等四部分將處于一個(gè)共同作用體系中，四者之間相互作用，相互影響，直至形成最終的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。本文暫時(shí)忽略樁基上部結(jié)構(gòu)的作用，僅對(duì)隧道-土體-樁基三者之間的相互作用關(guān)系進(jìn)行研究。

下面以試驗(yàn)方案中基準(zhǔn)A3組為例分析隧道開挖引起的隧道周圍地層變形，即在隧道埋深為60 mm(C/D=1.5，埋深與隧道直徑比值為1.5)，樁基插入深度為80 mm(2D，兩倍隧道直徑)，樁基與隧道中心距為60 mm(1.5D，1.5倍隧道直徑)的開挖工況下，研究隧道周圍地層的變形。

在分析之前本文先對(duì)坐標(biāo)系及方向做出如下規(guī)定：以隧道中心為原點(diǎn)，隧道中心與樁基中心連線所在豎向平面為XOZ平面，隧道中心所在水平面為XOY平面；方向X軸向右(指向樁基側(cè))為正，Y軸以隧道掘進(jìn)方向?yàn)樽C，Z軸向上為正。后期圖像的坐標(biāo)和方向均遵從以上規(guī)定，不再單獨(dú)說(shuō)明。

1)地層土體豎向三維變形。如圖2中所示為基準(zhǔn)組A3組沿樁基與隧道中心線豎直方向切剖后的豎向位移云圖，從圖2中，我們可以看出，在隧道頂上地層的豎向位移基本呈現(xiàn)出沉降槽式對(duì)稱分布，主要豎向變形集中在隧道中心線左右各3倍半徑范圍內(nèi)，豎向位移等值線略微呈現(xiàn)拱狀(預(yù)示土拱效應(yīng)已然形成)。此外，試驗(yàn)中樁基在隧道的右側(cè)，可以看出在有樁基的一側(cè)，發(fā)生變形的區(qū)域稍大，這應(yīng)該是隧道與樁基相互作用的結(jié)果。而隧道周圍土體沒有豎向位移數(shù)據(jù)，是由于隧道開挖(拉拔套管)后，模擬隧道用PVC管材在相機(jī)照攝范圍內(nèi)遮擋了部分透明土，導(dǎo)致部分變形數(shù)據(jù)缺失。而隧道上方位移數(shù)據(jù)的突變(隧道上方云圖藍(lán)色區(qū)域以下綠色區(qū)域)，乃因圖像處理軟件等值線自動(dòng)閉合的原因，隧道拱頂上方土體豎向位移急劇減小至0。從圖2中也可以看出越靠近隧道拱頂，豎向位移應(yīng)該是越大的，這與其他研究者的相關(guān)研究成果和結(jié)論是吻合的。

圖2 A3組中心切面地層豎向位移云圖

2)地層土體側(cè)向變形。隧道側(cè)穿既有樁基開挖時(shí)，地層水平方向變形是樁基側(cè)向變形(彎曲或者傾斜)的主要因素，因此研究隧道開挖引起的地層土體水平變形規(guī)律對(duì)研究隧道-樁基相互作用關(guān)系有重要意義。

圖3 A3組中心切面地層水平位移云圖

同樣以A3組為例，豎直切面上隧道、樁基及其周圍地層的水平位移云圖如圖3所示。由于水平位移極值與豎向位移極值相差較大，在水平位移云圖中顏色分布法重新定義了一下，故云圖中顏色需配合圖例參考，本文中豎向位移和水平位移云圖在各自同類型圖中云圖分布法相同。從圖3中可以看出隧道中心軸線上方水平位移基本為0。以隧道中心軸線為參照面，左右兩側(cè)水平位移大致對(duì)稱分布，均向著隧道中心軸線所在豎向平面，且水平位移比豎向位移要小很多，隧道周圍土體的變形主要以豎向位移為主。大約在隧道軸線兩側(cè)各半徑距離處水平位移值達(dá)到最大，大致符合正弦函數(shù)分布?？拷鼧痘鶄?cè)最大水平位移的值比無(wú)樁基側(cè)最大水平位移值稍大。如果沒有樁基的存在左右兩邊是對(duì)稱分布的；而樁基影響了這種平衡，導(dǎo)致靠近樁基側(cè)土體水平位移偏大；而在樁基附近水平位移較小甚至幾乎沒有水平位移。本組試驗(yàn)樁基距離隧道較遠(yuǎn)是其中的一個(gè)原因，主要原因可能是樁基的存在限制了地層水平位移的傳遞和發(fā)展。

2.2 隧道開挖過(guò)程中地層的動(dòng)態(tài)變形分析

為了分析隧道開挖引起隧道周圍地層的動(dòng)態(tài)變形，本文建立了如圖4所示的分步開挖典型點(diǎn)位置示意圖，在隧道頂部一共取了6行8列一共48個(gè)標(biāo)記點(diǎn)來(lái)跟蹤其變形的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在前文所述坐標(biāo)系情況下，這些點(diǎn)的分布為：X軸坐標(biāo)分別為-40、-25、-10、0、10、25、40和50，單位均為 mm；Z軸坐標(biāo)分別為-2、-10、-18、-26、-34和-42，單位也均為 mm。

圖4 分步開挖典型點(diǎn)位置示意圖

研究這些點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變形基本可以推斷出隧道周圍地層在隧道開挖過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變形，其余點(diǎn)的相關(guān)信息也可以在后文開挖中的云圖中看出。在分析隧道開挖過(guò)程中隧道周圍地層的變形規(guī)律前，做如下定義：將隧道掌子面距離隧道-樁基中心軸線切面的距離設(shè)為Di，當(dāng)Di=0時(shí)，代表掌子面位置剛好位于隧道-樁基中心軸線切面；當(dāng)掌子面還未到達(dá)隧道-樁基中心軸線切面時(shí)，Di<0；當(dāng)掌子面經(jīng)過(guò)隧道-樁基中心軸線切面后時(shí)，Di>0。

隧道整個(gè)開挖過(guò)程中典型標(biāo)記點(diǎn)的豎向位移動(dòng)態(tài)變化如圖5所示，橫坐標(biāo)為掌子面位置，縱坐標(biāo)為標(biāo)記點(diǎn)的豎向位移uz。

圖5 典型點(diǎn)豎向位移變化曲線

從圖5可見，在隧道掌子面距離樁基-隧道中心軸線-40 mm(一倍隧道直徑)前，隧道上方地層幾乎沒有豎向變形，即影響還未到達(dá)該區(qū)域；掌子面位置距離樁基-隧道中心軸線-40 mm至0 mm階段，隧道頂上地層豎向變形增長(zhǎng)較緩，位移不大，說(shuō)明這個(gè)階段隧道的開挖對(duì)該區(qū)域土體擾動(dòng)不大；掌子面位置距離樁基-隧道中心軸線=0 mm至60 mm階段，即隧道掌子面位置經(jīng)過(guò)隧道-樁基中心軸線切面后，隧道頂部的土體豎向位移增加較為劇烈且增長(zhǎng)速率(斜率)大致相同，可近似認(rèn)為是勻速下沉；掌子面位置距離樁基-隧道中心軸線在60 mm以后階段，隧道頂部土體豎向位移增長(zhǎng)趨于平穩(wěn)甚至不再增長(zhǎng)，此時(shí)隧道開挖對(duì)該區(qū)域地層擾動(dòng)造成的沉降已大致完成，重新達(dá)到了穩(wěn)定平衡狀態(tài)。受限于試驗(yàn)裝置的寬度，掌子面位置距離樁基-隧道中心軸線在80 mm(兩倍隧道直徑)以后階段的豎向位移數(shù)據(jù)欠缺，從曲線的增長(zhǎng)趨勢(shì)和走向可以大致推斷出豎向位移增長(zhǎng)將會(huì)很小，沉降基本已經(jīng)結(jié)束。上述規(guī)律較適用于距離隧道中心軸線較近的土體，位于隧道中心線較遠(yuǎn)處的土體，豎向位移整個(gè)階段都增長(zhǎng)緩慢甚至沒有豎向位移，進(jìn)一步驗(yàn)證了隧道開挖引起周圍地層變形影響區(qū)的存在。

從圖5可以看出，隧道中心軸線上方左右兩側(cè)土體的豎向變形大致對(duì)稱，同一水平面上距離隧道中心軸線越近的地層，豎向位移不管是增長(zhǎng)速度還是最大值都大于距離隧道中心軸線較遠(yuǎn)的地層土體；同時(shí)還可以看出在靠近地表和靠近隧道開挖面的土體豎向位移的增長(zhǎng)速度和最大豎向位移均小于隧道開挖面與地表中間部分的地層土體。

圖6為開挖過(guò)程動(dòng)態(tài)豎向位移云圖，從圖6可以明顯看出在隧道掌子面距離樁基-隧道中心軸線0 mm(隧道-樁基中心軸線切面)前，隧道上方地層豎向變形不管是數(shù)值還是區(qū)域都很小，即隧道開挖的影響還未到達(dá)(剛到達(dá))該區(qū)域，說(shuō)明這個(gè)階段隧道的開挖對(duì)該區(qū)域土體豎直方向擾動(dòng)不大；掌子面位置距離樁基-隧道中心軸線0 mm至60 mm階段，即隧道掌子面位置經(jīng)過(guò)隧道-樁基中心軸線切面后，隧道頂部的土體豎向位移數(shù)值不斷增長(zhǎng)，豎向變形區(qū)域的大小也在不斷增大，這個(gè)階段為隧道開挖引起周圍地層變形的主要作用階段，主要的豎向變形在該階段完成；當(dāng)掌子面位置距離樁基-隧道中心軸線在60 mm以后，隧道頂部土體豎向位移的數(shù)值基本不再增加，豎向變形區(qū)域也基本不再變化，此時(shí)隧道開挖對(duì)該區(qū)域地層擾動(dòng)造成的豎向變形已大致完成，重新達(dá)到了穩(wěn)定平衡狀態(tài)，受限于試驗(yàn)裝置的寬度，掌子面位置距離樁基-隧道中心軸線在80 mm(兩倍隧道直徑)以后階段的豎向位移數(shù)據(jù)欠缺，但是從云圖的變化趨勢(shì)可以大致推斷出此后隧道周圍地層的豎向位移云圖將基本與圖6(d)相同，隧道開挖對(duì)該切面的影響基本終止，該切面的地層重新達(dá)到了穩(wěn)定平衡狀態(tài)。從圖6還可以看出隧道頂部土體的豎向位移等值線在穩(wěn)定過(guò)程中逐漸形成拱狀。

圖6 開挖過(guò)程動(dòng)態(tài)豎向位移云圖

下面分析隧道開挖引起地層變形的側(cè)向變形規(guī)律。圖7所示為X=30 mm，即隧道偏向樁基側(cè)0.75 D豎直平面上不同深度的側(cè)向位移變化曲線，可以明顯看出在隧道掌子面距離樁基-隧道中心軸線0 mm(隧道-樁基中心軸線切面)前，隧道側(cè)方地層側(cè)向變形數(shù)值很小，有的地方甚至沒有側(cè)向變形。隧道開挖的影響還未到達(dá)(剛到達(dá))該區(qū)域，也說(shuō)明這個(gè)階段隧道的開挖對(duì)該區(qū)域土體水平方向擾動(dòng)不大；

圖7 X=30 mm處不同深度側(cè)向位移變化曲線

掌子面位置距離樁基-隧道中心軸線0～60 mm階段，即隧道掌子面位置經(jīng)過(guò)隧道—樁基中心軸線切面后，隧道頂部的土體側(cè)向位移數(shù)值不斷增長(zhǎng)，這個(gè)階段為隧道開挖引起周圍地層水平變形的主要作用階段，直至重新達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。隧道開挖對(duì)該切面的影響基本已經(jīng)完成，該切面的地層重新達(dá)到了穩(wěn)定平衡狀態(tài)。距離隧道軸線不同距離的其余豎直平面的側(cè)向變形規(guī)律與此基本相同。將開挖過(guò)程動(dòng)態(tài)豎向位移云圖(見圖6)和開挖過(guò)程不同深度側(cè)向位移變化曲線(見圖7)的比對(duì)后，說(shuō)明了隧道開挖引起的地層變形是豎直方向與水平方向同步進(jìn)行的，變化趨勢(shì)大致相同。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)一個(gè)透明土物理模型試驗(yàn)，并采用基

于PIV技術(shù)的土體內(nèi)部斷層三維變形量測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)變形，研究了城市隧道沿線鄰近既有樁基的情況下的隧道開挖導(dǎo)致地層變形規(guī)律。得到了在既有樁基影響下，隧道施工過(guò)程中的地層規(guī)律。研究結(jié)果表明：

1)隧道開挖引起的周圍土體變形區(qū)域主要位于隧道上方及上方左右兩側(cè)，變形主要以豎向沉降為主，水平變形為輔，砂土地層呈現(xiàn)出整體較均勻變形模式，豎直與水平方向變形均大致關(guān)于隧道軸線對(duì)稱；

2)砂土地層中，隧道掌子面在樁基-隧道中心軸線前時(shí)，隧道周圍地層變形較小，即隧道開挖的影響還未到達(dá)(或剛到達(dá))該區(qū)域；掌子面位置經(jīng)過(guò)樁基-隧道中心軸線切面后，該切面上地層發(fā)生持續(xù)變形，直至掌子面位置距離該面約2倍直徑后重新達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，變形基本完成。

本文研究?jī)H為對(duì)相同隧道埋深下在不同樁基埋深情況下進(jìn)行分步開挖沿下的情況，在后續(xù)的研究中，將圍繞相同樁基埋深下，不同隧道埋深、相同隧道埋深下、在不同的隧道-樁基距離的情況開展更加全面的研究。